JP2009168671A - Biosensor system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、バイオセンサシステムに関し、更に詳細には、NAD+又はNADP+を補酵素とする脱水素酵素の基質を検出するバイオセンサシステムに関する。 The present invention relates to a biosensor system, and more particularly to a biosensor system that detects a substrate of a dehydrogenase that uses NAD + or NADP + as a coenzyme.
アルコールは、人間にとって健康と深く関わり合いを有している他、過剰の摂取によると人間関係に影響を及ぼすなど、アルコールの乱用は、我々の社会に直面する重要な問題の1つである(例えば、非特許文献1〜6)。
健康面においては、例えば、先進国におけるアルコール性肝臓疾患は、全ての慢性肝臓疾患の50%以上を占めていることが知られている。すなわち、アルコールの過剰摂取は健康を害することから、臨床面から、特に、血液、血清及び尿の解析において、エタノール濃度を正確に測定することが重要である。
Alcohol abuse is one of the most important issues facing our society, as alcohol is deeply related to human health, and overdose affects human relationships. For example, nonpatent literature 1-6).
In terms of health, for example, alcoholic liver diseases in developed countries are known to account for more than 50% of all chronic liver diseases. That is, since excessive intake of alcohol is detrimental to health, it is important to accurately measure the ethanol concentration from the clinical aspect, particularly in the analysis of blood, serum and urine.
また、アルコール飲料は発酵工程を経て製造されているが、発酵工程におけるアルコール飲料の品質を管理するために、工程中のエタノール濃度の測定は重要である。このように、経済的な観点からも、アルコール濃度を正確に測定することは特に重要である。
上述した観点から、エタノールを正確かつ簡便に測定する方法が求められている。
Moreover, although the alcoholic beverage is manufactured through the fermentation process, in order to manage the quality of the alcoholic beverage in the fermentation process, the measurement of the ethanol concentration in the process is important. Thus, it is particularly important to accurately measure the alcohol concentration also from an economic viewpoint.
From the above viewpoint, a method for accurately and simply measuring ethanol is required.
従来より、種々のアルコール定量法が報告されている。例えば、酵素をベースとして用いるバイオセンサーがアルコールセンサとして用いられている(例えば、非特許文献7及び8等)。アルコールオキシダーゼ固定化エタノールセンサは、アルコールを定量することにおける最も一般的な方法の1つである。このようなアルコールセンサは、クロマトグラフィー法、分光分析法や蒸留法と比べた場合、簡便に測定でき、かつ迅速に測定できるという利点がある。また、酵素を用いているため、選択性が高いという利点も有する。しかし、アルコールオキシダーゼを用いているため、センサ特性が、試料中の溶存酸素量に依存するという問題がある。 Conventionally, various alcohol determination methods have been reported. For example, a biosensor using an enzyme as a base is used as an alcohol sensor (for example, Non-Patent Documents 7 and 8). An alcohol oxidase immobilized ethanol sensor is one of the most common methods for quantifying alcohol. Such an alcohol sensor has an advantage that it can be measured easily and rapidly when compared with a chromatography method, a spectroscopic analysis method or a distillation method. Moreover, since the enzyme is used, it has the advantage that selectivity is high. However, since alcohol oxidase is used, there is a problem that the sensor characteristics depend on the amount of dissolved oxygen in the sample.
一方、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD+)依存アルコールデヒドロゲナーゼを用いたバイオセンサが報告されている(例えば、非特許文献9及び10)。このようなバイオセンサは、主として光学的方法又は電気化学的方法によって測定されるNADH/NAD+の比を用いて基質を測定している。また、このようなバイオセンサは、エタノール濃度の測定に用いられるのみならず、種々の基質の濃度を測定することに用いることが可能である。従来のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD+)依存アルコールデヒドロゲナーゼを用いたバイオセンサには、光源として水銀ランプが用いられている。しかし、水銀ランプは高価であるとともに、非常に重量があり、携帯用には不向きである。 On the other hand, biosensors using nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) -dependent alcohol dehydrogenase have been reported (for example, Non-Patent Documents 9 and 10). Such biosensors measure substrates using a ratio of NADH / NAD + , measured primarily by optical or electrochemical methods. Moreover, such a biosensor can be used not only for measuring the ethanol concentration but also for measuring the concentration of various substrates. In a conventional biosensor using nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) -dependent alcohol dehydrogenase, a mercury lamp is used as a light source. However, mercury lamps are expensive and very heavy, making them unsuitable for portable use.
従って、本発明の目的は、溶存酸素の影響を受けずに、NAD+又はNADP+を補酵素とする脱水素酵素の基質を正確に定量することができ、安価に製造することができ、かつ携帯性に優れた、バイオセンサシステムを提供することを目的とする。 Therefore, the object of the present invention is to accurately determine the substrate of dehydrogenase having NAD + or NADP + as a coenzyme without being affected by dissolved oxygen, and can be produced at low cost, and An object is to provide a biosensor system with excellent portability.
本発明者らは、上記目的を達成するため検討を重ねた結果、脱水素酵素を固定化してなる膜が密着された光ファイバプローブ、該光ファイバプローブに、紫外線を入射する紫外線発光ダイオード(UV−LED)、前記紫外線発光ダイオードから入射した入射光により励起された発生した蛍光を検出する検出器を用いることにより、上記目的を達成し得るという知見を得、その知見を素に営々検討を重ねた結果、本発明を完成するに至った。 As a result of repeated studies to achieve the above object, the present inventors have made an optical fiber probe in which a film formed by immobilizing a dehydrogenase is closely attached, and an ultraviolet light emitting diode (UV) that makes ultraviolet light incident on the optical fiber probe. -LED), by using a detector that detects the generated fluorescence excited by the incident light incident from the ultraviolet light-emitting diode, the knowledge that the above-mentioned purpose can be achieved is obtained, and the investigation is repeated based on the knowledge. As a result, the present invention has been completed.
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、NAD+又はNADP+を補酵素とする脱水素酵素の基質を検出するバイオセンサシステムであって、前記バイオセンサシステムは、光入射用の光ファイバ及び受光用の光ファイバを接続してなる光ファイバプローブ;前記光入射用の光ファイバに、特定の波長の紫外線を入射する紫外線発光ダイオード;及び前記紫外線発光ダイオードから入射した入射光により励起されて発生した蛍光を、前記受光用の光ファイバーを通して検出する検出器を含み、前記光ファイバプローブの先端に、前記脱水素酵素を固定化してなる膜が密着されていることを特徴とするバイオセンサシステムを提供するものである。 The present invention has been made based on the above findings, a biosensor system for detecting a substrate of dehydrogenase and NAD + or NADP + coenzyme, the biosensor system, for light incident An optical fiber probe formed by connecting an optical fiber and an optical fiber for receiving light; an ultraviolet light emitting diode that injects ultraviolet light of a specific wavelength into the optical fiber for light incidence; and excitation by incident light incident from the ultraviolet light emitting diode A biosensor comprising a detector for detecting the generated fluorescence through the optical fiber for light reception, wherein a membrane formed by immobilizing the dehydrogenase is in close contact with the tip of the optical fiber probe A system is provided.
前記特定の波長は、好ましくは300〜370nmであり、前記蛍光の波長は、好ましくは450〜510nmである。
前記脱水素酵素の具体例としてはアルコールデヒドロゲナーゼが挙げられ、前記基質としてはエタノールが挙げられる。
前記バイオセンサシステムは、前記光入射用の光ファイバと前記光ファイバプローブとの間に、帯域フィルタを有し、前記受光用の光ファイバと前記光ファイバプローブとの間に長波長透過フィルタを有することが好ましい。
また、前記バイオセンサシステムは、前記光入射用の光ファイバと前記光ファイバプローブとの間に、帯域フィルタを有し、前記受光用の光ファイバと前記光ファイバプローブとの間に帯域フィルタを有してもよい。
The specific wavelength is preferably 300 to 370 nm, and the wavelength of the fluorescence is preferably 450 to 510 nm.
Specific examples of the dehydrogenase include alcohol dehydrogenase, and the substrate includes ethanol.
The biosensor system has a bandpass filter between the optical fiber for light incidence and the optical fiber probe, and has a long wavelength transmission filter between the optical fiber for light reception and the optical fiber probe. It is preferable.
Further, the biosensor system has a band filter between the optical fiber for light incidence and the optical fiber probe, and has a band filter between the optical fiber for light reception and the optical fiber probe. May be.
本発明によれば、溶存酸素の影響を受けずに、NAD+又はNADP+を補酵素とする脱水素酵素の基質の量を正確に定量することができる。本発明のバイオセンサシステムは、安価に製造することができ、かつ携帯性に優れたものである。 According to the present invention, it is possible to accurately quantify the amount of dehydrogenase substrate using NAD + or NADP + as a coenzyme without being affected by dissolved oxygen. The biosensor system of the present invention can be manufactured at low cost and has excellent portability.
以下に、本発明を詳細に説明する。
本発明のバイオセンサシステムは、NAD+又はNADP+を補酵素とする脱水素酵素の基質を検出するバイオセンサシステムであって、
光入射用の光ファイバ及び受光用の光ファイバを接続してなる光ファイバプローブ;
前記光入射用の光ファイバに、特定の波長の紫外線を入射する紫外線発光ダイオード;及び
前記発光ダイオードから入射した入射光により励起されて発生した蛍光を、前記受光用の光ファイバーを通して検出する検出器を含み、
前記光ファイバプローブの先端に、前記脱水素酵素を固定化してなる膜が密着されている。
The present invention is described in detail below.
The biosensor system of the present invention is a biosensor system that detects a substrate of a dehydrogenase that uses NAD + or NADP + as a coenzyme,
An optical fiber probe formed by connecting an optical fiber for light incidence and an optical fiber for light reception;
An ultraviolet light emitting diode that makes ultraviolet light of a specific wavelength incident on the optical fiber for light incidence; and a detector that detects fluorescence generated by being excited by incident light incident from the light emitting diode through the optical fiber for light reception Including
A membrane formed by immobilizing the dehydrogenase is in close contact with the tip of the optical fiber probe.
本発明のバイオセンサシステムは、NAD+(酸化型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド)又はNADP+(酸化型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸)を補酵素とする脱水素酵素の基質を検出するためのシステムである。本発明のバイオセンサシステムにおいて用いられる脱水素酵素としては、NAD+又はNADP+を補酵素とするものであれば、特に制限はないが、例えば、アラニン脱水素酵素、アルコール脱水素酵素、アルデヒド脱水素酵素、イソクエン酸脱水素酵素、ウリジン−5’−ジホスフォ−グルコース脱水素酵素、ガラクトース脱水素酵素、ギ酸脱水素酵素、グリセルアルデヒド−3−リン酸脱水素酵素、グリセロール脱水素酵素、グリセロール−3−リン酸脱水素酵素、グルコース脱水素酵素、グルコース−6−リン酸脱水素酵素、グルタミン酸脱水素酵素、コレステロール脱水素酵素、サルコシン脱水素酵素、ソルビトール脱水素酵素、炭酸脱水素酵素、乳酸脱水素酵素、3−ヒドロキシ酪酸脱水素酵素、ピルビン酸脱水素酵素、フルクトース脱水素酵素、6−ホスフォグルコン酸脱水素酵素、ホルムアルデヒド脱水素酵素、マンニトール脱水素酵素、リンゴ酸脱水素酵素、ロイシン脱水素酵素等が利用できる。また、NAD+又はNADP+を補酵素とする脱水素酵素が関与する酵素反応は数多く存在し様々な分野における測定方法として有用であり、さらに酸化酵素に比べて脱水素酵素を利用することで、試料中の溶存酸素の影響を回避できるという利点もある。
すなわち、本発明のバイオシステムを用いて検出することのできる基質は、上記脱水素酵素の基質となる化合物である。例えば、脱水素酵素としてアルコールデヒドロゲナーゼを用いる場合、エタノールを検出、定量することができる。
The biosensor system of the present invention is a system for detecting a dehydrogenase substrate using NAD + (oxidized nicotinamide adenine dinucleotide) or NADP + (oxidized nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) as a coenzyme. is there. The dehydrogenase used in the biosensor system of the present invention is not particularly limited as long as NAD + or NADP + is used as a coenzyme. For example, alanine dehydrogenase, alcohol dehydrogenase, aldehyde dehydration are used. Elementary enzyme, isocitrate dehydrogenase, uridine-5′-diphospho-glucose dehydrogenase, galactose dehydrogenase, formate dehydrogenase, glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, glycerol dehydrogenase, glycerol- 3-phosphate dehydrogenase, glucose dehydrogenase, glucose-6-phosphate dehydrogenase, glutamate dehydrogenase, cholesterol dehydrogenase, sarcosine dehydrogenase, sorbitol dehydrogenase, carbonic acid dehydrogenase, lactate dehydration Elementary enzyme, 3-hydroxybutyrate dehydrogenase, pyruvate dehydrogenase, fructose Scan dehydrogenase, 6-phosphofructokinase gluconate dehydrogenase, formaldehyde dehydrogenase, available mannitol dehydrogenase, malate dehydrogenase, leucine dehydrogenase and the like. In addition, there are many enzyme reactions involving dehydrogenase with NAD + or NADP + as a coenzyme, and it is useful as a measurement method in various fields. Furthermore, by using dehydrogenase compared to oxidase, There is also an advantage that the influence of dissolved oxygen in the sample can be avoided.
That is, the substrate that can be detected using the biosystem of the present invention is a compound that becomes a substrate for the dehydrogenase. For example, when alcohol dehydrogenase is used as a dehydrogenase, ethanol can be detected and quantified.
脱水素酵素、基質と、NAD+又はNADP+との酵素反応により、基質濃度に依存したNADH(還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド)又はNADPH(還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸)が生成する。本発明のバイオセンサシステムにおいては、そのNADH又はNADPHの濃度を測定することにより基質の濃度を測定する。本発明においては、紫外線発光ダイオードから入射した紫外線により励起した蛍光を検出することにより、NADH又はNADPHの濃度を測定する。 Depending on the substrate concentration, NADH (reduced nicotinamide adenine dinucleotide) or NADPH (reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) is generated by an enzyme reaction between a dehydrogenase, a substrate, and NAD + or NADP + . In the biosensor system of the present invention, the concentration of the substrate is measured by measuring the concentration of NADH or NADPH. In the present invention, the concentration of NADH or NADPH is measured by detecting fluorescence excited by ultraviolet light incident from an ultraviolet light emitting diode.
次に、本発明のバイオセンサシステムについて図面を参照しつつ説明する。図1は、本発明のバイオセンサシステム10を模式的に示す図面である。本発明のバイオセンサシステムは、光入射用の光ファイバ11と、受光用の光ファイバ11’とを接続してなる光ファイバプローブ12を有する。このようなプローブ12としては、市販されているものを用いてもよく、例えば、Ocean Optics Inc.(米国)から市販されている、2 in 1 Optical fiber assembly(BIF600−UV/VIS)とF100−9009(Ocean Optics Inc.社製)とを組み合わせたもの等を用いることができる。
Next, the biosensor system of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a drawing schematically showing a
光入射用の光ファイバ11には、特定の波長の紫外線を入射する紫外線発光ダイオード14が接続されている。また、図1に示すバイオセンサシステムにおいては、紫外線発光ダイオード14と光ファイバプローブ12との間には帯域フィルター(バンドパスフィルター)16が接続されている。本発明のバイオセンサシステムにおいては、光源として紫外線発光ダイオード14を用いているため、光源として水銀ランプを用いた場合よりも、装置を簡素化することができ、また、安価で製造でき、携帯用としても用いることが可能となる。
To the
NAD+を補酵素とする脱水素酵素の場合について説明すると、NADHは340nmの紫外線を吸収するが、NAD+は340nmの紫外線を吸収しないという性質を利用するものであり、従って、紫外線発光ダイオードとしては、300〜370nm、好ましくは340nm付近の波長の紫外線を励起するものが用いられる。従って、図1に示すように、紫外線発光ダイオード14と光ファイバプローブ12との間には帯域フィルター16が接続することが好ましい。帯域フィルターとは、光源からの光のうち、特定の波長のものだけを透過するフィルターのことを意味し、本発明においては、例えば、330〜350nmの紫外線を通過させるものが用いられる。このような帯域フィルターとしては市販のものを特に制限なく用いることができる。
The case of dehydrogenase using NAD + as a coenzyme will be described. NADH absorbs UV light of 340 nm, but NAD + does not absorb UV light of 340 nm. Is used for exciting ultraviolet rays having a wavelength of 300 to 370 nm, preferably around 340 nm. Therefore, as shown in FIG. 1, it is preferable that a band-
図1に示すバイオセンサシステムにおいては、受光用の光ファイバ11’には、紫外線発光ダイオード14から入射した入射光により励起されて発生した蛍光を検出する検出器20が接続されている。検出器20は、具体的には分光光度計が用いられる。励起された蛍光は、NADHの場合、450〜510nm、より具体的には491nm付近であり、従って、図1に示すように、特定の波長よりも大きい波長の蛍光のみを透過させる長波長透過フィルター(ハイパスフィルター)18を配置することが好ましい。図1においては、400nm以上の波長の蛍光を透過させる長波長透過フィルターが用いられている。このような長波長透過フィルターとしては市販のものを特に制限なく用いることができる。
また、図1のバイオセンサシステムにおいては、長波長透過フィルター(ハイパスフィルター)18を用いているが、長波長透過フィルター(ハイパスフィルター)に変え、帯域フィルターを用いてもよい。この場合、例えば、450〜510nmの波長の蛍光のみを透過させる帯域フィルターを用いる。
In the biosensor system shown in FIG. 1, a
In the biosensor system of FIG. 1, the long wavelength transmission filter (high pass filter) 18 is used, but a band filter may be used instead of the long wavelength transmission filter (high pass filter). In this case, for example, a bandpass filter that transmits only fluorescence having a wavelength of 450 to 510 nm is used.
図1に示すバイオセンサシステムにおいては、検出器20で受信したデータを解析するためのコンピュータシステム22が接続されており、このようなコンピュータシステム22を接続させることにより、データの解析が容易である。
In the biosensor system shown in FIG. 1, a
次に、図1に示すバイオセンサシステムにおいて用いられる光ファイバプローブ12について説明する。光ファイバプローブ12は、その先端に、脱水素酵素を固定化してなる膜が密着されている。
脱水素酵素を固定化してなる膜について説明する。本明細書において、以下、酵素固定化膜と記載する場合は、脱水素酵素を固定化してなる膜を意味する。
酵素固定化膜は、膜材料である担体上に脱水素酵素が固定化されたものである。用いられる担体としては、従来より酵素を固定化するために用いられている材料のものを特に制限なく用いることができる。このような材料としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリジメチルシロキサン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン等が挙げられる。このような担体の厚みは、特に限定されないが、好ましくは100nm〜200μmであり、更に好ましくは10μm〜100μmである。
Next, the
A membrane formed by immobilizing a dehydrogenase will be described. In the present specification, hereinafter, an enzyme-immobilized membrane means a membrane formed by immobilizing a dehydrogenase.
The enzyme-immobilized membrane is obtained by immobilizing a dehydrogenase on a carrier that is a membrane material. As the carrier to be used, those conventionally used for immobilizing enzymes can be used without particular limitation. Examples of such a material include polytetrafluoroethylene, polydimethylsiloxane, polypropylene, polyethylene, polymethyl methacrylate, and polystyrene. Although the thickness of such a support | carrier is not specifically limited, Preferably it is 100 nm-200 micrometers, More preferably, it is 10 micrometers-100 micrometers.
本発明のバイオセンサシステムは、紫外線発光ダイオードから入射した励起光により励起されて発生した蛍光によりNAD+又はNAD+の濃度を定量し、それによりNAD+又はNAD+を補酵素とする脱水素酵素の基質を検出するものである。従って、試料中の基質と酵素固定化膜中の脱水素酵素とが、補酵素の存在下に反応する必要がある。本発明のバイオセンサシステムは、後述するように、補酵素であるNAD+又はNAD+の存在下に酵素と基質とを反応させるため、試料溶液中に補酵素であるNAD+又はNAD+を一緒に存在させ、この補酵素と基質とが酵素固定化膜中で酵素と反応する必要がある。従って、酵素固定化膜を構成する担体は多孔性であることが好ましい。担体の孔のサイズに特に制限はないが、通常は、直径が0.1〜1μm程度であり、好ましくは0.2μm程度でよい。また、担体の空隙率は60〜90%であることが好ましい。 The biosensor system of the present invention quantifies NAD + or NAD + concentration by fluorescence generated by excitation with excitation light incident from an ultraviolet light-emitting diode, thereby dehydrogenase using NAD + or NAD + as a coenzyme. It detects the substrate. Therefore, the substrate in the sample and the dehydrogenase in the enzyme-immobilized membrane must react in the presence of the coenzyme. As will be described later, the biosensor system of the present invention reacts with NAD + or NAD + as a coenzyme in a sample solution in order to react the enzyme with a substrate in the presence of NAD + or NAD + as a coenzyme. The coenzyme and the substrate need to react with the enzyme in the enzyme-immobilized membrane. Therefore, the carrier constituting the enzyme-immobilized membrane is preferably porous. There are no particular restrictions on the size of the pores of the carrier, but usually the diameter is about 0.1 to 1 μm, preferably about 0.2 μm. The porosity of the carrier is preferably 60 to 90%.
前記酵素固定化膜は、脱水素酵素が担体に固定化されてなるものであるが、酵素を、例えばポリマーと混合して担体上に塗布し乾燥して製造される。このようなポリマーとしては、従来より酵素固定化膜を製造するために用いられているものを特に制限なく用いることができ、例えば、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール又はポリビニルアルコールにSbQの光官能基を組み合わせたPVA−SbQ、SPP−H13、ホスホリルコリン基を含むポリマー等が挙げられる。
上記の中でも、ホスホリルコリン基を含むポリマーである、2−メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン(MPC)と他のモノマーとの共重合体を用いた場合、酵素を固定化した後の脱塩処理をする必要がないので好ましい。
また、脱水素酵素を担体に固定化する方法としては、他に、グルタルアルデヒドの架橋による方法を用いてもよいが、本発明においては、方法は特に限定されない。
The enzyme-immobilized membrane is formed by immobilizing a dehydrogenase on a carrier, and is produced by mixing an enzyme with, for example, a polymer, coating the carrier, and drying. As such a polymer, those conventionally used for producing an enzyme-immobilized membrane can be used without any particular limitation. For example, the photofunctionality of SbQ is added to polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol or polyvinyl alcohol. Examples thereof include PVA-SbQ, SPP-H13, and a polymer containing a phosphorylcholine group in which groups are combined.
Among these, when a copolymer of 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine (MPC), which is a polymer containing a phosphorylcholine group, and another monomer is used, it is not necessary to perform a desalting treatment after immobilizing the enzyme. Therefore, it is preferable.
In addition, as a method for immobilizing a dehydrogenase on a carrier, a method by cross-linking glutaraldehyde may be used, but the method is not particularly limited in the present invention.
このような共重合体を製造するために用いられるモノマーとしては、例えば、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、プロピル(メタ)アクリレート、ブチル(メタ)アクリレート、アミル(メタ)アクリレート、ヘキシル(メタ)アクリレート、ヘプチル(メタ)アクリレート、オクチル(メタ)アクリレート、ノニル(メタ)アクリレート、デシル(メタ)アクリレート、ドデシル(メタ)アクリレート、ヘキサデシル(メタ)アクリレート、オクタデシル(メタ)アクリレート、ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、エチレングリコール(メタ)アクリレート、エチレングリコールメチルエーテル(メタ)アクリレート、ポリ(エチレングリコール)(メタ)アクリレート、ポリ(エチレングリコール)メチルエーテル(メタ)アクリレート、N−ビニルピロリドン、酢酸ビニル、γ−メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メタクリルオキシプロピルトリエトキシシラン、ビニルトリス(2−メトキシエトキシ)シラン、メチルトリビニルメチルジエトキシシラン等が挙げられる。このような共重合体は、MPCと上記モノマーとのラジカル共重合によって得ることができる。 Examples of the monomer used to produce such a copolymer include 2-ethylhexyl (meth) acrylate, methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, propyl (meth) acrylate, and butyl (meth) acrylate. , Amyl (meth) acrylate, hexyl (meth) acrylate, heptyl (meth) acrylate, octyl (meth) acrylate, nonyl (meth) acrylate, decyl (meth) acrylate, dodecyl (meth) acrylate, hexadecyl (meth) acrylate, octadecyl (Meth) acrylate, hydroxyethyl (meth) acrylate, hydroxypropyl (meth) acrylate, ethylene glycol (meth) acrylate, ethylene glycol methyl ether (meth) acrylate Poly (ethylene glycol) (meth) acrylate, poly (ethylene glycol) methyl ether (meth) acrylate, N-vinylpyrrolidone, vinyl acetate, γ-methacryloxypropyltrimethoxysilane, γ-methacryloxypropyltriethoxysilane, vinyltris ( 2-methoxyethoxy) silane, methyltrivinylmethyldiethoxysilane, and the like. Such a copolymer can be obtained by radical copolymerization of MPC and the above monomer.
上記共重合体としては、例えば、2−メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン(MPC)と2−エチルヘキシルメタクリレート(EHMA)との共重合体が挙げられ、該共重合体は、下記一般式(1)で表わされる繰り返し単位を有するポリマーである。 Examples of the copolymer include a copolymer of 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine (MPC) and 2-ethylhexyl methacrylate (EHMA), and the copolymer is represented by the following general formula (1). A polymer having repeating units.
一般式(1)において、aは0.1〜0.9であり、好ましくは0.1〜0.4である。また、bは0.1〜0.9であり、好ましくは0.6〜0.9である。 In General formula (1), a is 0.1-0.9, Preferably it is 0.1-0.4. Moreover, b is 0.1-0.9, Preferably it is 0.6-0.9.
一般式(1)で表わされる繰り返し単位を有するポリマーを得るには、公知の方法により反応させて行う。使用する溶媒としては、モノマーを溶解することのできるものであれば制限なく用いることができ、例えば、水、メタノール、エタノール、プロパノール、t−ブチルアルコール、ベンゼン、トルエン、ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、クロロホルム、及びこれらの混合物などが挙げられる。 In order to obtain a polymer having a repeating unit represented by the general formula (1), the reaction is carried out by a known method. As the solvent to be used, any solvent that can dissolve the monomer can be used without limitation. For example, water, methanol, ethanol, propanol, t-butyl alcohol, benzene, toluene, dimethylformamide, tetrahydrofuran, chloroform, And mixtures thereof.
また、重合開始剤としては、通常に用いられるラジカル開始剤を特に制限なく用いることができ、例えば、2,2’−アゾビスイソブチロニトリル、アゾビスバレロニトリル等の脂肪族アゾ化合物や、過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル、加硫酸アンモニウム、加硫酸カリウム等の有機過酸化物等が挙げられる。 Further, as the polymerization initiator, a commonly used radical initiator can be used without particular limitation, for example, an aliphatic azo compound such as 2,2′-azobisisobutyronitrile, azobisvaleronitrile, Examples thereof include organic peroxides such as benzoyl peroxide, lauroyl peroxide, ammonium sulfate, and potassium sulfate.
一般式(1)で表わされる繰り返し単位を有するポリマーの分子量は、通常、5,000〜3,000,000程度である。
なお、一般式(1)で表わされる繰り返し単位を有するポリマーとしては、市販されているものを用いてもよく、例えば、日本油脂(株)製、Lipidure(登録商標)シリーズ等が使用可能である。
The molecular weight of the polymer having a repeating unit represented by the general formula (1) is usually about 5,000 to 3,000,000.
In addition, as a polymer which has a repeating unit represented by General formula (1), you may use what is marketed, for example, Nippon Oil & Fats Co., Ltd. product, Lipidure (trademark) series etc. can be used. .
次に、上記酵素固定化膜の製造方法について図面を参照しつつ説明する。図2は、本発明のバイオセンサシステムにおいて用いられる、酵素固定化膜及び光ファイバプローブの製造方法を概略的に示す図である。
まず、担体31に、ポリマー及び脱水素酵素の混合溶液32を塗布する。ポリマーとしては上述したものが用いられ、脱水素酵素も上述したものが用いられる。ポリマー及び脱水素酵素を溶解して混合溶液とするための溶媒としては、例えば、エタノール等が挙げられる。混合溶液中の脱水素酵素及びポリマーの濃度に特に制限はないが、通常は、脱水素酵素を、担体1cm2あたり50ユニット程度、ポリマーを、担体1cm2あたり1μL(濃度:10重量%)程度用いることが好ましい。次いで、担体上に塗布した混合溶液32を乾燥して酵素を担体31に固定化し、酵素固定化膜33を得る。乾燥は、通常、0〜8℃程度の温度で0.5〜6時間行なう。
Next, a method for producing the enzyme-immobilized membrane will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a diagram schematically showing a method for producing an enzyme-immobilized film and an optical fiber probe used in the biosensor system of the present invention.
First, a
次に、光ファイバプローブの先端への酵素固定化膜の密着について説明する。図2を参照して明らかなように、光ファイバプローブ14の先端に、酵素固定化膜33を密着させ、例えば、シリコンチューブリング35により、酵素固定化膜33を光ファイバプローブ14の先端に固定する。
Next, the adhesion of the enzyme-immobilized film to the tip of the optical fiber probe will be described. As is apparent with reference to FIG. 2, the enzyme-immobilized
次に、本発明のバイオセンサシステムを用いて、脱水素酵素の基質となる化合物を検出する方法について図1を参照しつつ説明する。
本発明のバイオセンサシステム10を用いて、脱水素酵素の基質となる化合物を検出するには、光ファイバプローブ12を試料溶液に浸す。この試料溶液には、脱水素酵素の補酵素となるNAD+又はNADP+が含まれている。
Next, a method for detecting a compound that is a substrate for a dehydrogenase using the biosensor system of the present invention will be described with reference to FIG.
In order to detect a compound that is a substrate for a dehydrogenase using the
光ファイバプローブ12の先端には、上述した、酵素固定化膜(脱水素酵素を固定化してなる膜)が密着しており、試料溶液中の基質が、補酵素であるNAD+又はNADP+と共に、酵素固定化膜中に浸入し、酵素固定化膜に固定化されている脱水素酵素と基質とが反応し、補酵素であるNAD+又はNADP+は、それぞれNADH又はNADPHに変化する。このようにして生成されたNADH又はNADPHを蛍光により検出する。補酵素としてNAD+を用いる脱水素酵素の場合について説明すると、紫外線発光ダイオード14から照射される、中心波長335nmの紫外線を、帯域フィルター16を通過させ、波長330〜350nmの紫外線のみを通過させ、励起した蛍光を長波長透過フィルター18を通過させ、400nm以上の波長の蛍光のみを通過させたのち、検出器(分光高度計)20により、波長491nmの蛍光強度を測定する。検出器20により測定したデータは、コンピュータ22によって解析される。
The above-described enzyme-immobilized membrane (a membrane formed by immobilizing a dehydrogenase) is in close contact with the tip of the
本発明のバイオセンサシステムによって、NAD+又はNADP+を補酵素とする脱水素酵素の基質となる化合物を検出(定量)するには、最初にNAD+又はNADP+の標準液を用いて蛍光強度を測定し、検量線を作成した後に試料の測定を実施し、既知量のNAD+又はNADP+を含む試料について蛍光を測定し、消費されたNAD+又はNADP+の量から、試料中に含まれている脱水素酵素の基質となる化合物の量を求める。 The biosensor system of the present invention, NAD + or NADP + to detect the substrate and comprising a compound of dehydrogenases and coenzymes (quantitative) of the fluorescence intensity initially with NAD + or NADP + the standard solution was measured, the measurement of the sample was carried out after preparing a calibration curve, the fluorescence was measured for samples containing known amounts of NAD + or NADP +, from the amount of consumed NAD + or NADP +, contained in a sample Determine the amount of the compound that is the substrate for the dehydrogenase that is present.
本発明のバイオセンサシステムは、光源として紫外線発光ダイオードを用いており、従来用いられている水銀ランプよりも安価に製造することができる。また、紫外線発光ダイオードは水銀ランプよりも重量が小さいため、携帯用として用いることも可能である。本発明のバイオセンサシステムは、例えば、微小化学物質分析システム(μTAS)に用いることができる。 The biosensor system of the present invention uses an ultraviolet light emitting diode as a light source, and can be manufactured at a lower cost than a conventionally used mercury lamp. Further, since the ultraviolet light-emitting diode has a weight smaller than that of the mercury lamp, it can be used for portable use. The biosensor system of the present invention can be used in, for example, a microchemical substance analysis system (μTAS).
以下に、実施例を示して本発明を具体的に説明するが、これらにより本発明は何ら制限を受けるものではない。
実施例1
以下の装置等を用いて、図1に示すバイオセンサシステムを作製した。
紫外線発光ダイオード:UVTOP BL335(Sensor Electronic Technology,Inc.社製)
光ファイバ(光ファイバアセンブリ):BF600−UV/VIS(Ocean Optics Inc.社製)
光ファイバープローブ:F100−9009(Ocean Optics Inc.社製)
帯域フィルター:(バンドパス波長:330〜350nm、朝日分光(株)製)
長波長透過フィルター:(カットオフ波長:400nm、朝日分光(株)製)
光ファイバー分光計:USB2000及びUSB4000(Ocean Optics Inc.社製)
なお、USB2000は、図1に示す検出器であり、USB4000は、紫外線発光ダイオードに接続されている。
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.
Example 1
The biosensor system shown in FIG. 1 was produced using the following apparatus and the like.
Ultraviolet light emitting diode: UVTOP BL335 (manufactured by Sensor Electronic Technology, Inc.)
Optical fiber (optical fiber assembly): BF600-UV / VIS (manufactured by Ocean Optics Inc.)
Optical fiber probe: F100-9090 (manufactured by Ocean Optics Inc.)
Band filter: (Band pass wavelength: 330 to 350 nm, manufactured by Asahi Spectroscopy)
Long wavelength transmission filter: (cutoff wavelength: 400 nm, manufactured by Asahi Spectroscopy Co., Ltd.)
Optical fiber spectrometer: USB2000 and USB4000 (Ocean Optics Inc.)
USB2000 is a detector shown in FIG. 1, and USB4000 is connected to an ultraviolet light emitting diode.
光ファイバプローブの先端には、1×1cmに切断したポリテトラフルオロエチレン(空隙率80%、孔のサイズ0.2μm、JGWP14225、ミリポア)をシリコーン−O−リングを用いてしっかりと密着させた。リン酸バッファー中に、上記光ファイバプローブを浸し、2分毎に、それぞれ、1、2、5、10、40、100、300、500、1000、2000、5000マイクロモル/L)となるように、NADH溶液を滴下し、蛍光強度をモニターした。
蛍光強度の測定結果のグラフを図3に示す。図3において、横軸は時間(分)を表わし、縦軸は蛍光強度を表す。図3から明らかなように、NADHの濃度が上昇すると、それに伴い蛍光強度が上昇することがわかる。この結果より、上記光ファイバプローブを備えたバイオセンサシステムを用いることにより、NADHの検出及び定量が可能であることが明らかとなった。
Polytetrafluoroethylene (porosity 80%, hole size 0.2 μm, JGWP14225, Millipore) cut to 1 × 1 cm was firmly attached to the tip of the optical fiber probe using a silicone-O-ring. The optical fiber probe is immersed in a phosphate buffer so that it becomes 1, 2, 5, 10, 40, 100, 300, 500, 1000, 2000, 5000 micromol / L every 2 minutes. , NADH solution was dropped and the fluorescence intensity was monitored.
The graph of the measurement result of fluorescence intensity is shown in FIG. In FIG. 3, the horizontal axis represents time (minutes) and the vertical axis represents fluorescence intensity. As is apparent from FIG. 3, it can be seen that the fluorescence intensity increases with increasing NADH concentration. From this result, it became clear that NADH can be detected and quantified by using the biosensor system provided with the optical fiber probe.
次に、上述のようにして得られた蛍光強度と、NADHの濃度との関係を調べ、検量線を作製した。図4は、NADHの濃度と蛍光強度との関係を示す検量線であり、横軸はNADHの濃度(マイクロモル/L)の対数を表し、縦軸は蛍光強度を表す、図4から明らかなように、上記光ファイバプローブを備えたバイオセンサシステムを用いてNADHの濃度を測定し、検量線を作成した結果、NADHの濃度が1〜300マイクロモル/Lの範囲で直線を示すことがわかった。すなわち、NADH濃度が上記範囲である場合、上述したバイオセンサによりNADHの定量が可能であることがわかった。
なお、図4に示す検量線は以下の式によって表され、相関係数は0.993であった。
蛍光強度(カウント) = 1.97×〔NADH(マイクロモル/L)〕0.89
Next, the relationship between the fluorescence intensity obtained as described above and the NADH concentration was examined, and a calibration curve was prepared. FIG. 4 is a calibration curve showing the relationship between NADH concentration and fluorescence intensity. The horizontal axis represents the logarithm of NADH concentration (micromol / L), and the vertical axis represents fluorescence intensity, which is apparent from FIG. As described above, the NADH concentration was measured using the biosensor system equipped with the optical fiber probe, and the calibration curve was created. As a result, it was found that the NADH concentration showed a straight line in the range of 1 to 300 micromol / L. It was. That is, when the NADH concentration is in the above range, it was found that NADH can be quantified by the biosensor described above.
The calibration curve shown in FIG. 4 was expressed by the following equation, and the correlation coefficient was 0.993.
Fluorescence intensity (count) = 1.97 × [NADH (micromol / L)] 0.89
実施例2
以下の操作により、酵素固定化膜を作製した。
2−メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン(MPC)と2−エチルヘキシルメタクリレートの共重合体(EHMA)及びアルコールデヒドロゲナーゼの混合溶液(溶媒:エタノール)を、それぞれ1マイクロリットル/cm2、及び50単位/cm2となるように、実施例1で用いたポリテトラフルオロエチレン膜上に塗布し、冷蔵庫(約4℃)内に3時間静置し、上記混合溶液を硬化させた。次いで、不必要なアルコールデヒドロゲナーゼをリン酸バッファーで洗浄し、脱水素酵素が固定化された膜を得た。
得られた膜を、図1に示すバイオセンサシステムにおける光ファイバプローブの先端にシリコーン−O−リングを用いてしっかりと密着させ、本発明のバイオセンサシステムとした。
Example 2
An enzyme-immobilized membrane was prepared by the following operation.
A mixed solution of 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine (MPC) and 2-ethylhexyl methacrylate copolymer (EHMA) and alcohol dehydrogenase (solvent: ethanol) is 1 microliter / cm 2 and 50 units / cm 2 , respectively. Thus, it apply | coated on the polytetrafluoroethylene film | membrane used in Example 1, and left still for 3 hours in a refrigerator (about 4 degreeC), and the said mixed solution was hardened. Next, unnecessary alcohol dehydrogenase was washed with a phosphate buffer to obtain a membrane on which the dehydrogenase was immobilized.
The obtained film was firmly adhered to the tip of the optical fiber probe in the biosensor system shown in FIG. 1 using a silicone-O-ring to obtain the biosensor system of the present invention.
次いで、NAD+を含む(20ミリmol/リットル濃度)リン酸バッファーに、上記光ファイバプローブを浸し、2分毎に、それぞれ、0.1、1、5、10、50、100、500、1000ミリモル/L)となるように、エタノールを滴下し、蛍光強度をモニターした。
蛍光強度の測定結果のグラフを図5に示す。図5において、横軸は時間(分)を表わし、縦軸は蛍光強度を表す。図3から明らかなように、エタノールの濃度が上昇すると、それに伴い蛍光強度が上昇することがわかる。この結果より、上記光ファイバプローブを備えた、本発明のバイオセンサシステムを用いることにより、エタノールの検出及び定量が可能であることが明らかとなった。
Next, the optical fiber probe is immersed in a phosphate buffer containing NAD + (concentration of 20 mmol / liter), and every 2, 2 minutes, 0.1, 1, 5, 10, 50, 100, 500, 1000, respectively. Ethanol was added dropwise to monitor the fluorescence intensity.
The graph of the measurement result of fluorescence intensity is shown in FIG. In FIG. 5, the horizontal axis represents time (minutes), and the vertical axis represents fluorescence intensity. As can be seen from FIG. 3, as the ethanol concentration increases, the fluorescence intensity increases accordingly. From this result, it was revealed that ethanol can be detected and quantified by using the biosensor system of the present invention provided with the above optical fiber probe.
次に、上述のようにして得られた蛍光強度と、エタノールの濃度との関係を調べ、検量線を作製した。図6は、エタノールの濃度と蛍光強度との関係を示す検量線であり、横軸はエタノールの濃度(ミリモル/L)の対数を表し、縦軸は蛍光強度を表す、図6から明らかなように、本発明のバイオセンサシステムを用いてエタノールの濃度を測定し、検量線を作成した結果、エタノールの濃度が1〜100ミリモル/Lの範囲で直線を示すことがわかった。すなわち、エタノール濃度が上記範囲である場合、本発明のバイオセンサによりエタノールの定量が可能であることがわかった。
なお、図6に示す検量線は以下の式によって表され、相関係数は0.994であった。
蛍光強度(カウント) = 1.54×〔エタノール(ミリモル/L)〕0.52
Next, the relationship between the fluorescence intensity obtained as described above and the ethanol concentration was examined to prepare a calibration curve. FIG. 6 is a calibration curve showing the relationship between the ethanol concentration and the fluorescence intensity. The horizontal axis represents the logarithm of the ethanol concentration (mmol / L), and the vertical axis represents the fluorescence intensity. As apparent from FIG. In addition, the concentration of ethanol was measured using the biosensor system of the present invention and a calibration curve was created. As a result, it was found that the ethanol concentration showed a straight line in the range of 1 to 100 mmol / L. That is, it was found that when the ethanol concentration is in the above range, ethanol can be quantified by the biosensor of the present invention.
The calibration curve shown in FIG. 6 was expressed by the following equation, and the correlation coefficient was 0.994.
Fluorescence intensity (count) = 1.54 × [ethanol (mmol / L)] 0.52
実施例2で作製されたバイオセンサシステムは、光源として紫外線発光バイオードを用いているため、従来の水銀ランプを用いたセンサと比べ、重量が軽いものであるため、携帯用としても適している。また、実施例2のバイオセンサシステムを用いてエタノールの定量を行う場合、全電力消費は150mW程度であり、従来の水銀ランプを用いる場合の約1%であった。また、本発明のバイオセンサシステムは軽量であるため、例えば、微小化学物質分析システム(μTAS)に用いることができる。 Since the biosensor system produced in Example 2 uses an ultraviolet light emitting biode as a light source, it is lighter in weight than a sensor using a conventional mercury lamp, and is therefore suitable for portable use. Further, when ethanol was quantified using the biosensor system of Example 2, the total power consumption was about 150 mW, which was about 1% of the case where a conventional mercury lamp was used. Moreover, since the biosensor system of the present invention is lightweight, it can be used, for example, in a microchemical substance analysis system (μTAS).
10 バイオセンサシステム 11 光入射用の光ファイバ
11’ 受光用の光ファイバ11’ 12 光ファイバプローブ
14 紫外線発光ダイオード
16 バンドパスフィルター(帯域フィルター)
18 長波長透過フィルター(ハイパスフィルター)
20 検出器 22 コンピュータシステム
31 担体
32 ポリマー及び脱水素酵素の混合溶液 33 酵素固定化膜
34 光ファイバプローブ 35 シリコンチューブリング
DESCRIPTION OF
16 Band pass filter (band filter)
18 Long wavelength transmission filter (high pass filter)
20
Claims (5)
前記バイオセンサシステムは、
光入射用の光ファイバ及び受光用の光ファイバを接続してなる光ファイバプローブ;
前記光入射用の光ファイバに、特定の波長の紫外線を入射する紫外線発光ダイオード;及び
前記紫外線発光ダイオードから入射した入射光により励起されて発生した蛍光を、前記受光用の光ファイバーを通して検出する検出器を含み、
前記光ファイバプローブの先端に、前記脱水素酵素を固定化してなる膜が密着されていることを特徴とするバイオセンサシステム。 A biosensor system for detecting a substrate of a dehydrogenase having NAD + or NADP + as a coenzyme,
The biosensor system includes:
An optical fiber probe formed by connecting an optical fiber for light incidence and an optical fiber for light reception;
An ultraviolet light-emitting diode that injects ultraviolet light of a specific wavelength into the optical fiber for light incidence; and a detector that detects fluorescence generated by excitation by incident light incident from the ultraviolet light-emitting diode through the optical fiber for light reception Including
A biosensor system, wherein a membrane formed by immobilizing the dehydrogenase is in close contact with the tip of the optical fiber probe.
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